鐘森 譚明文 趙祚培 林立世
中國石化西南油氣分公司工程技術(shù)管理部
四川盆地頁巖氣資源量豐富,通過近幾年的快速發(fā)展,目前已有涪陵、長寧、威遠(yuǎn)頁巖氣田實(shí)現(xiàn)商業(yè)開發(fā),推動(dòng)了我國頁巖氣開發(fā)水平[1]。永川區(qū)塊地理上位于重慶市永川區(qū),構(gòu)造上處于川東斷褶帶向南呈帚狀撒開的低背斜群,構(gòu)造呈“兩凹夾一隆”的格局。勘探開發(fā)思路采用整體部署、評(píng)探結(jié)合、滾動(dòng)建產(chǎn)、效益開發(fā)。
永川區(qū)塊開發(fā)層位為龍馬溪頁巖氣層,埋藏深度 3 700~4 200 m、地層壓力 67~71 MPa、地層溫度148~159 ℃、壓力系數(shù)1.7。龍馬溪優(yōu)質(zhì)頁巖段厚36.5~41.5 m,鉆井水平段長1 500 m 左右,優(yōu)質(zhì)頁巖鉆遇率均達(dá)到100%,采用?139.7 mm 套管完井、橋塞+射孔聯(lián)作分段壓裂技術(shù)投產(chǎn)[2]。
國內(nèi)深層頁巖氣主要分布區(qū)域在川東南地區(qū),包括礁石壩外圍、丁山、南川、永川、威遠(yuǎn)區(qū)域,其中施工層位最深超過4 600 m。深層頁巖壓裂主要面臨幾個(gè)問題:一是地層應(yīng)力高、三軸地應(yīng)力關(guān)系復(fù)雜、層理縫發(fā)育,導(dǎo)致造縫寬度窄,大規(guī)模加砂難度大;二是巖石脆性特征減弱、塑性特征增強(qiáng),兩向地應(yīng)力差值大于10 MPa,裂縫復(fù)雜程度及改造體積低;三是閉合壓力高,改造程度低,導(dǎo)流能力遞減快,裂縫易失效,長期穩(wěn)產(chǎn)能力差[3-4]。要成功壓裂深層頁巖需要解決加砂、造復(fù)雜縫及裂縫失效的問題。
高黏壓裂液濾失低,可以適當(dāng)提高縫內(nèi)凈壓力,對(duì)攜砂造主縫更為有利;低黏壓裂液流動(dòng)迅速,濾失大,有利于在窄縫、微小天然裂縫中流動(dòng),可以向井筒的遠(yuǎn)端流動(dòng),從而擴(kuò)大改造體積[5]。為解決深層大規(guī)模加砂難的難題,采用低黏降阻水(黏度小于6 mPa · s)、高黏降阻水(黏度9~15 mPa · s)、高黏膠液(高溫剪切后黏度大于50 mPa · s)多種液體組合,發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì),配制的液體降阻率均在80%以上。降阻水配方為:0.07%~0.1%降阻劑+0.03%助排劑;膠液配方:0.2%稠化劑+0.03%助排劑+0.3%流變助劑。運(yùn)用Meyer 軟件對(duì)比2 000 m3液量時(shí)不同膠液與降阻水比例下的裂縫體積與導(dǎo)流能力(圖1),為增大裂縫體積、提高導(dǎo)流能力,確定降阻水所占比例為60%~70%。
圖1 不同液體比例對(duì)應(yīng)的裂縫體積和導(dǎo)流能力值Fig.1 Fracture volumes and flow conductivity at different fluid proportions
頁巖氣壓裂形成多尺度的裂縫系統(tǒng),較寬的主裂縫、較窄的次級(jí)裂縫和自支撐的微裂縫系統(tǒng),為保證支撐劑在裂縫中的順利運(yùn)移和有效充填,采用多種粒徑的組合,實(shí)現(xiàn)各級(jí)裂縫的有效支撐[6-7]。
永川龍馬溪閉合應(yīng)力85~90 MPa,考慮覆膜砂強(qiáng)度不夠,選擇低密度(體密度1.40~1.55 g/cm3)、抗壓 86 MPa、70/140 目+40/70 目+30/50 目的組合陶粒。70/140 目粉陶進(jìn)入微小裂縫,40/70 目的陶粒支撐主縫和次縫,30/50 目陶粒進(jìn)行尾追,增加縫口導(dǎo)流能力。采用Meyer 軟件模擬,次級(jí)裂縫導(dǎo)流能力大于0.3 μm2· cm 即滿足需求,室內(nèi)短期導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)顯示相關(guān)支撐劑導(dǎo)流能力均滿足要求(圖2)。根據(jù)室內(nèi)不同比例支撐劑的導(dǎo)流能力評(píng)價(jià),確定最優(yōu)組合,粉陶所占 10%~25%、40/70 目陶粒占 65%~85%、30/50 目陶粒占5%左右。
圖2 相同鋪砂濃度下支撐劑導(dǎo)流能力Fig.2 Flow conductivity of proppants at the same proppant concentration
永川頁巖氣井采用?139.7 mm 套管射孔完井,選擇橋塞分段工藝。目前主要有可鉆、大通徑免鉆、可溶3 種類型橋塞,永川地區(qū)停泵壓力高(大于65 MPa),壓后掃塞存在井控風(fēng)險(xiǎn),可鉆橋塞不適用。大通徑投球式橋塞可滿足射孔無法點(diǎn)火情況下的二次泵送,在目前水平井中應(yīng)用最多,且具有低成本的優(yōu)勢(shì)。因此,永川地區(qū)選擇大通徑橋塞(內(nèi)徑69 mm)+可溶球(直徑82 mm)分段,同時(shí)試驗(yàn)應(yīng)用了20 只可溶橋塞(圖3),壓后連油通井顯示球和橋塞完全溶解,井筒暢通。
頁巖氣水平井分段分簇是確定射孔位置和分簇?cái)?shù),常用的方法是依據(jù)油藏?cái)?shù)值模擬的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量來確定壓裂段數(shù),再結(jié)合測(cè)錄井解釋結(jié)果,選擇含氣性好、可壓性好的地質(zhì)工程雙甜點(diǎn)進(jìn)行射孔,最大程度實(shí)現(xiàn)體積改造[8-10]。采用ECLIPSE 數(shù)值模擬軟件模擬永川1 500 m 水平段55~80 簇的產(chǎn)量,產(chǎn)量隨壓裂簇?cái)?shù)增加而增大,壓裂簇?cái)?shù)大于70 時(shí)累產(chǎn)量遞增減緩,初步推薦70~75 簇左右。見圖4。
圖3 可溶橋塞實(shí)物圖Fig.3 Soluble bridge plug
圖4 不同簇?cái)?shù)日產(chǎn)量預(yù)測(cè)Fig.4 Prediction of daily production with different clusters
建立沿水平井筒的兩向應(yīng)力差值、脆性指數(shù)剖面,將水平段分為3 區(qū)(圖5)。1 區(qū)低應(yīng)力差值,相對(duì)利于形成縫網(wǎng),適當(dāng)增大簇間距;2 區(qū)應(yīng)力差值、脆性指數(shù)中等,分簇間距適中;3 區(qū)應(yīng)力差值大,形成縫網(wǎng)難度更大、施工難度更高,適當(dāng)減小簇間距、考慮單段兩簇壓裂。
圖5 水平段儲(chǔ)層可壓性分區(qū)示意圖Fig.5 Zone division diagram based on fracturability of reservoirs in lateral section
同時(shí),TOC 含量高、氣測(cè)顯示好、高伽馬的井段為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層段,加密分段;裂縫發(fā)育段、預(yù)測(cè)螞蟻體發(fā)育段減小至1~2 簇?cái)?shù),防止壓裂中套管損傷及改造不充分;水平段下凹至寶塔組地應(yīng)力較高,施工風(fēng)險(xiǎn)較大,采用2 簇壓裂;固井質(zhì)量差的井段擴(kuò)大簇間距。
3.3.1 多段制注入模式
充分利用不同黏度壓裂液的優(yōu)點(diǎn),進(jìn)行變黏度的多級(jí)交替注入,實(shí)現(xiàn)主導(dǎo)裂縫充分延伸及大范圍的復(fù)雜裂縫溝通,同時(shí)增加加砂量。采用“酸預(yù)處理+膠液前置+粉陶段塞+降阻水加膠液連續(xù)加砂+降阻水段塞式高砂比加砂+膠液大粒徑加砂”6 段制混合注入模式,并采用13~15 m3/min 的大排量注入方式(表1)。
表1 深層壓裂典型的泵注模式Table 1 Typical pumping mode for deep zone fracturing
3.3.2 加砂模式
深層頁巖氣壓裂裂縫寬度不足,敏感砂比低,容易導(dǎo)致加砂困難出現(xiàn)砂堵。為順利加砂,采用先細(xì)后粗加砂、低砂比連續(xù)加砂、大段中頂膠液、高砂比段塞、拇指加砂等方法[11]。中、低砂比加砂階段采用大液量連續(xù)加砂,爭(zhēng)取平穩(wěn)加砂;加入大量支撐劑后,注入100 m3以上的純液體推動(dòng)支撐劑移動(dòng),防止縫內(nèi)充填脫砂;高砂比階段壓力高,風(fēng)險(xiǎn)大,利用中頂液推動(dòng)段塞至遠(yuǎn)端;在一個(gè)段塞加砂后期提高砂比至下個(gè)段塞的砂比,探測(cè)下個(gè)高砂比的難易程度,防止高砂比階段出現(xiàn)砂堵的突發(fā)情況(圖6)。
深層頁巖氣井以大孔徑、等孔徑、深穿透為目標(biāo),采用超深穿透射孔彈+槍套扶正,孔徑一致性較好。統(tǒng)計(jì)射孔槍身發(fā)射的孔彈孔徑為7.4~11 mm,平均值為8.95 mm,8~10 mm 孔徑占 90.9%。初期采用 3 簇×1 m/簇、2 簇×1.5 m/簇射孔,后期試驗(yàn)3 簇×0.6 m/簇、2 簇×0.9 m/簇、2 簇×0.6 m/簇??s短射孔簇后,多次閉合的特征相對(duì)更明顯,3 簇都進(jìn)液的可能性相對(duì)更大。但射孔段長小于1.8 m 后,泵注壓力高、加砂難度大,顯示了較高的摩阻。
圖6 YY2HF 井第 9 段壓裂曲線Fig.6 YY2HF stage 9th fracturing curve
注入的暫堵劑在先壓開裂縫口處形成暫時(shí)封堵,井底壓力升高迫使液體轉(zhuǎn)向,最終所有射孔簇按破裂壓力由低到高依次得到改造,可在不增加橋塞用量的前提下增加分段效果,實(shí)現(xiàn)體積壓裂[12]。YY2HF 井試驗(yàn)了金屬可溶暫堵劑暫堵工藝,分2 次投放,第 1 次投放直徑 1~2、4、8 mm 小顆粒暫堵劑,第2 次投放直徑12 mm 圓球暫堵劑,兩次投放共計(jì)8 kg。施工曲線顯示暫堵后在相同排量下施工壓力上升3.5 MPa、停泵壓力上升1.72 MPa,縫口暫堵工藝初步取得成功,可以作為保證各射孔簇有效改造的輔助手段。見圖7。
壓后進(jìn)行長時(shí)間悶井,壓裂液中的水通過毛細(xì)管自吸作用進(jìn)入巖石基質(zhì),頁巖基質(zhì)中礦物顆粒間原有的氫鍵被羥基取代進(jìn)而發(fā)生水化作用,造成黏土顆粒膨脹運(yùn)移,從而形成新的微裂紋,利于后期生產(chǎn)[13]。采用巖心進(jìn)行自吸實(shí)驗(yàn),自吸量約為0.45 g(圖8),約占樣品總孔隙體積的30%,且?guī)r心破碎產(chǎn)生明顯的裂紋。統(tǒng)計(jì)幾口井壓后關(guān)井井口壓力降落趨勢(shì),在150 h 左右出現(xiàn)穩(wěn)定,所以,確定永川地區(qū)壓后悶井溶球時(shí)間為7 d。
圖7 3 種暫堵劑及暫堵施工曲線Fig.7 3 types of temporary plugging agents and corresponding curves
圖8 YY3-1HF 井巖心水自吸量與時(shí)間關(guān)系Fig.8 YY3-1HF core water imbibition vs.time
永川深層龍馬溪?dú)獠厍捌趬毫? 口井,施工成功率100%,施工參數(shù)見表2。
通過壓裂軟件壓后分析顯示(表3),裂縫長度達(dá)250 m 以上,帶寬約60 m 左右,縫高45 m,單段平均改造體積159×104m3,單井平均改造體積3 339×104m3,達(dá)到了一定程度的體積改造目的。YY1HF井平均日產(chǎn)氣 6×104m3,已累產(chǎn)氣 3 200×104m3,具有較好的穩(wěn)產(chǎn)能力。
表2 永川地區(qū)龍馬溪壓裂施工參數(shù)Table 2 Yongchuan Longmaxi fracturing parameters
表3 永川地區(qū)龍馬溪壓裂體積計(jì)算Table 3 Yongchuan Longmaxi fracturing volume calculation
(1)要實(shí)現(xiàn)深層頁巖氣壓裂高效加砂、有效支撐,采用高、低黏度組合液體和不同粒徑組合支撐劑可降低注入難度,增加裂縫體積,提升多級(jí)裂縫的支撐效果。
(2)采用多段制混合注入模式及特殊加砂工藝確保了大規(guī)模加砂的順利完成,縮短了射孔段長度、縫口暫堵工藝有利于提高多簇改造有效性。永川龍馬溪?dú)獠叵绕趬毫? 口井,測(cè)試產(chǎn)量及穩(wěn)產(chǎn)效果較好,基本達(dá)到了體積改造目的。
(3)深層頁巖氣開發(fā)還處于探索階段,需要著重解決提高裂縫復(fù)雜性和單井產(chǎn)量的問題,應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)及產(chǎn)剖測(cè)量情況,繼續(xù)優(yōu)化壓裂材料、簇間距、加砂規(guī)模、縫口暫堵等關(guān)鍵工藝參數(shù)。